الميكانيك الحيوي الخاص لتأهيل مستخدمي الأطراف الصناعية Biomechanics in prosthetic rehabilitation
مقدمة
إن فهم المبادئ الأساسية في الميكانيك الحيوي مهم جداً عند التعامل مع مرضى البتر وخصوصاً في مرحلة تدريب المشي على الطرف، ويساعد أيضاً في فهم ميكانيكية تشوهات المشي وطرق الحل لهذه التشوهات، وهذه المقالة مقدمة صغيرة لقواعد أساسية للميكانيك الحيوي في الأطراف الصناعية السفلية.
القوة و تأثيراتها: هي أي فعل يؤدي إلى تغيير في حالة الجسم سواء كان ثابتا أو متحركا، يؤثر الطرف الصناعي بقوى على الجسم البشري وتكون نقطة تأثير هذه القوى عند سطح الجلد الملامس للطرف الصناعي، وهذه القوى تنتج ضغطاً على سطح التلامس، يعطى بالعلاقة التالية:
(P=F/A)
من هذه العلاقة نستنتج أنه كلما كانت المساحة التي تطبق عليها القوى كبيرة كان الضغط على هذه المساحة أقل. على سبيل المثال: إذا قام شخص ما يرتدي حذاء ذو كعب نحيل بالوقوف على قدمك فإنه سيسبب لك ضغطاً كبيراً وألماً مزعجاً، بينما إذا قام نفس الشخص بالوقوف على قدمك مرتدياً حذاءً ذو كعب أكبر مساحة من السابق فإنه سيسبب ألماً وضغطاً أقل من الحذاء السابق.
في الصورة التالية نجد أن الضغط أسفل القدم يخفف بزيادة سطح التلامس مع القدم.
كلما زاد سطح التماس يخف الضغط
من المثالين السابقين نستخلص فكرة نستخدمها أثناء تصميم حاضن الطرف الصناعي، حيث نحاول تأمين أكبر سطح تلامس ممكن بين الطرف الصناعي والجذمور لتخفيف الضغط على الجذمور.
أحياناً يمكن أن يشتكي المريض من منطقة غير مريحة أثناء ارتداء الطرف الصناعي ويطلب منك إزالتها هذا يسبب نقص في مساحة الدعم ويسبب زيادة في الضغط. ممكن أن يسبب ألماً بعد فترة من الزمن بسبب هذا الضغط.
مركز الكتلة Center of Mass: :هو مصطلح شائع في علم الميكانيك الحيوي، ندعوه أحياناً مركز الجاذبية Centre of Gravity ، وهو في منتصف الكتلة للجسم، ويفترض أن تؤثر قوة الجاذبية على هذه النقطة. وأيضا هي مكان دوران الجسم. حيث إذا قمنا بتعليق أي جسم من هذا المركز فإن الجسم سوف يتوازن. وهي النقطة التي يحدث حولها دوران الجسم.
يختلف مركز الجاذبية في مرضى البتر حسب مستوى البتر بسبب فقدان جزء من كتلة الجسم في إحدى الجانبين أو كلاهما.
قوة رد فعل الأرض :The Ground Reaction Force GRF: تحدث عندما يحدث التماس مع سطح الدعم، وهي تساوي وتعاكس القوة الناجمة عن كتلة الجسم التي تعبر عبر القدم إلى سطح الأرض.
لكل فعل رد فعل يعاكسه بالجهة ويساويه بالقوة
يجب ملاحظة أن القوة الناجمة عن كتلة الجسم تشمل عزم وتسارع كتلة الجسم إضافة لتأثير الجاذبية عليها. وبالتالي فهي مختلفة عن ولكن تشابه خط الوزن.
يمكن أن تعدل معايرة الطرف الصناعي من مشية المريض وذلك بتغيير مكان توضع الطرف السفلي والطرف الصناعي مع الأخذ بعين الاعتبار مكان مرور شعاع قوة ردة فعل الأرض.
لا تستخدم قوة رد فعل الأرض سريرياً بسبب صعوبة رؤيتها فعلياً. ولكن فهم ماهيتها وتأثيراتها على الطرف الصناعي يُمَكن الطبيب السريري من فهم العديد من عيوب المشي وأسبابها.
العزم أو شعاع الدوران Moments or Torques
إذ لم تؤثر القوة بشكل مباشر على مركز الكتلة فإن الجسم سوف يدور حول هذا المركز. في الجسم البشري أيضاً على سبيل المثال إذا لم يمر تأثير القوة في منتصف المفصل مع الأجزاء الأخرى للأخرى، فإن زاوية المفصل سوف تتغير.
في المثال : نعتبر القدم والساق جزئيين متفصلين بمفصل الكاحل Talo-Crural Joint. عندما يدفع شعاع ردة الفعل القدم للأعلى فإنها تميل للتحرك باتجاه العطف الظهري. فإذا مرِ شعاع ردة فعل الأرض أمام المفصل فسوف يؤدي إلى حركة عطف ظهري وإذا مر خلف المفصل فسوف يؤدي إلى عطف أخمصي.
في الشكل الموضح يتم موازنة شعاع قوة رد فعل الجاذبية الأرضية الامامي بالعطف الاخمصي للقدم عبر الشد على وتر اشيل . و هذه العضلة لها ذراع قوة ثابت
تنتج القوى عزوم ويمكن حساب هذه العزوم بقياس هذه القوة مضروب بطول ذراع العتلة (المسافة بين نقطة التأثير ومحور الدوران في المفصل). أثناء حركة جسم الإنسان الطبيعية يتم موازنة العزوم الناشئة من القوى خارج الجسم (قوة الاستجابة للجاذبية) بإنشاء قوى داخلية تعطي شعاع قوة معاكس لها. هذه القاعدة ليست صحيحة دائما. ففي حالات الحركات السريعة أو العنيفة فإن معاوضتها بعزوم داخلية غير ممكن. أيضاً في حالة ردة فعل بسط الركبة الكامل في وضعية الوقوف فإن العضلات المأبضية تتقلص لتقوم بتحقيق توازن بين عضلات بسط الركبة وعطفها.
الأشخاص الذين لديهم بتور لديهم ضعف في التحكم المباشر بالعضلات التي تؤثر على بعض المفاصل.
الأشخاص ذوي البتر لديهم ضياع بأجزاء من الجسم مما يؤدي لغياب العزوم المعاكسة للعزوم الناتجة عن قوة ردة فعل الأرض؛ يؤدي هذا الفقد أيضاً إلى فقد بعض وظائف أعضاء الجسم البشري. فمثلاً عند الشخص الذي يرتدي طرف صناعي غير ذكي إذا مر شعاع قوة رد فعل الأرض أمام مفصل الكاحل تحدث حركة عطف ظهري لا يمكن التحكم بها في القدم الصناعية وبالتالي تشوه في المشي، لذلك يجب أن يكون الجزء الأمامي من مفصل الكاحل قاس لكي يمنع هذه الحركة المشوهة للمشي.
في حالة الأشخاص ذوي البتر في المستوى فوق الركبة لا يوجد قدرة في التحكم المباشر بمفصل الركبة الصناعي (غياب آلية القفل الطبيعية)، يجب أن يمر شعاع رد فعل الجاذبية أمام الركبة أثناء فترة الاستناد على طرف واحد. ويتم ذلك بمعايرة الطرف الثابت باستخدام خط تسامت محدد هو خط المدور الكبير من الورك والكاحل Trochanter Hip and Ankle (TKA) بهذه الطريقة يستمر المريض بالتحكم بشكل غير مباشر بالركبة من خلال القدرة على بسط مفصل الورك. وهذه الآلية الميكانيكية للتحكم بالمفصل يتأقلم عليها المريض أثناء فترة التدريب ففي حالة الوقوف على الطرف الصناعي لوحده ولإبقاء مفصل الركبة مغلق فيجب أن يمر شعاع قوة رد فعل الأرض أمام مفصل الركبة.
عندما نشاهد حالات ميكانيكية حيوية غير مرغوب بها فإن فني الأطراف لديه الفرصة ليغير الحالة الميكانيكية من خلال تثبيت حركة المفصل أو المناورة أو بتبديل مكان GRF إلى مكان أكثر فائدة.
تحميل الوزن على الطرف الصناعي Axial Loading of a Prosthesis: تعبر القوى في الجسم بشكل طبيعي من الجسم إلى الطرف الصناعي ومنه عبر قاعدة الدعم والتي تشمل تراكيب الناحية الراحية من القدم (العقب والقوس الطولانية الوحشية ورؤوس الأمشاط والأباخس) إلى الأرض. وتغيب هذه التراكيب عند مرضى بتر الطرف السفلي.
إحدى وظائف الطرف الصناعي الرئيسية هي تأمين وسط حمل محور وزن الجسم عليه (يعرف أيضا بقوى النقل العمودية على طول محور الجسم). بتعبير آخر يجب عليها أن تحافظ على حمل وزن الجسم أثناء الوقوف. وتقوم القوى الناجمة عن وزن الجسم بالضغط على هذا الطرف وتنتقل القوى إلى الأرض. لذلك يجب أن يكون هذا الطرف متين كفاية ليتحمل وزن المريض. تقوم الشركات بتصنيع معدات الأطراف الصناعية التي تكون معدة لتناسب مختلف الأوزان والفئات العمرية. ويجب أن تكون هذه الأجزاء المصنعة بشكل خاص قوية كفاية لتحمل وزن الجسم ويمكن أن تصنع تبعا للطلب أو حسب اختبار الطرف الصناعي.
تنتج القوى عزوم ويمكن حساب هذه العزوم بقياس هذه القوة مضروب بطول ذراع العتلة (المسافة بين نقطة التأثير ومحور الدوران في المفصل). أثناء حركة جسم الإنسان الطبيعية يتم موازنة العزوم الناشئة من القوى خارج الجسم (قوة الاستجابة للجاذبية) بإنشاء قوى داخلية تعطي شعاع قوة معاكس لها. هذه القاعدة ليست صحيحة دائما. ففي حالات الحركات السريعة أو العنيفة فإن معاوضتها بعزوم داخلية غير ممكن. أيضاً في حالة ردة فعل بسط الركبة الكامل في وضعية الوقوف فإن العضلات المأبضية تتقلص لتقوم بتحقيق توازن بين عضلات بسط الركبة وعطفها.
الأشخاص الذين لديهم بتور لديهم ضعف في التحكم المباشر بالعضلات التي تؤثر على بعض المفاصل.
الأشخاص ذوي البتر لديهم ضياع بأجزاء من الجسم مما يؤدي لغياب العزوم المعاكسة للعزوم الناتجة عن قوة ردة فعل الأرض؛ يؤدي هذا الفقد أيضاً إلى فقد بعض وظائف أعضاء الجسم البشري. فمثلاً عند الشخص الذي يرتدي طرف صناعي غير ذكي إذا مر شعاع قوة رد فعل الأرض أمام مفصل الكاحل تحدث حركة عطف ظهري لا يمكن التحكم بها في القدم الصناعية وبالتالي تشوه في المشي، لذلك يجب أن يكون الجزء الأمامي من مفصل الكاحل قاس لكي يمنع هذه الحركة المشوهة للمشي.
في حالة الأشخاص ذوي البتر في المستوى فوق الركبة لا يوجد قدرة في التحكم المباشر بمفصل الركبة الصناعي (غياب آلية القفل الطبيعية)، يجب أن يمر شعاع رد فعل الجاذبية أمام الركبة أثناء فترة الاستناد على طرف واحد. ويتم ذلك بمعايرة الطرف الثابت باستخدام خط تسامت محدد هو خط المدور الكبير من الورك والكاحل Trochanter Hip and Ankle (TKA) بهذه الطريقة يستمر المريض بالتحكم بشكل غير مباشر بالركبة من خلال القدرة على بسط مفصل الورك. وهذه الآلية الميكانيكية للتحكم بالمفصل يتأقلم عليها المريض أثناء فترة التدريب ففي حالة الوقوف على الطرف الصناعي لوحده ولإبقاء مفصل الركبة مغلق فيجب أن يمر شعاع قوة رد فعل الأرض أمام مفصل الركبة.
عندما نشاهد حالات ميكانيكية حيوية غير مرغوب بها فإن فني الأطراف لديه الفرصة ليغير الحالة الميكانيكية من خلال تثبيت حركة المفصل أو المناورة أو بتبديل مكان GRF إلى مكان أكثر فائدة.
تحميل الوزن على الطرف الصناعي Axial Loading of a Prosthesis: تعبر القوى في الجسم بشكل طبيعي من الجسم إلى الطرف الصناعي ومنه عبر قاعدة الدعم والتي تشمل تراكيب الناحية الراحية من القدم (العقب والقوس الطولانية الوحشية ورؤوس الأمشاط والأباخس) إلى الأرض. وتغيب هذه التراكيب عند مرضى بتر الطرف السفلي.
إحدى وظائف الطرف الصناعي الرئيسية هي تأمين وسط حمل محور وزن الجسم عليه (يعرف أيضا بقوى النقل العمودية على طول محور الجسم). بتعبير آخر يجب عليها أن تحافظ على حمل وزن الجسم أثناء الوقوف. وتقوم القوى الناجمة عن وزن الجسم بالضغط على هذا الطرف وتنتقل القوى إلى الأرض. لذلك يجب أن يكون هذا الطرف متين كفاية ليتحمل وزن المريض. تقوم الشركات بتصنيع معدات الأطراف الصناعية التي تكون معدة لتناسب مختلف الأوزان والفئات العمرية. ويجب أن تكون هذه الأجزاء المصنعة بشكل خاص قوية كفاية لتحمل وزن الجسم ويمكن أن تصنع تبعا للطلب أو حسب اختبار الطرف الصناعي.
لمقاومة تأثير قوى الجاذبية علينا تزويد الطرف الصناعي بنقاط ضغط محددة لتحميل الوزن عليها. يجب الأخذ بعين الاعتبار أن سطح التلامس بين الطرف والجذمور يجب أن يكون أملساً لتجنب التخريش على سطح الجلد.
عندما نفكر بالقوى في الطرف الصناعي فإن الحاضن يعطي وسطا لمرور القوى عبره:
- من الأرض إلى الشخص
- من الشخص إلى الأرض
يقوم فني الأطراف بتحميل الجلد بالضغط من أجل نقل القوى من الطرف الصناعي إلى الجهاز الهيكلي عند مريض البتر. وإذا كانت المنطقة ملائمة للتحميل المحوري عندها يمكن نقل مقدار كبير من القوى عبرها. تطبق القوى عادة موازية للجلد، مما يخفف قوى الاحتكاك. تكون القوى الداعمة للطرف الصناعي على الجذمور دائما موازية لقوة رد فعل الجاذبية.
إن تغيير ارتصاف (باتجاه بعض العطف) للطرف يمكن أن يؤثر على المنطقة المتوفرة لنقل القوى العمودي. بالصورة المنقطة الخضراء تحت الحاضن تظهر المنطقة المتوفرة من أجل نقل القوى العمودي.
كلما كان العطف أكثر كانت المنطقة المتوفرة للنقل العمودي أكبر.
وضع الطرف بالعطف أكثر يمكن أن يكون له تأثير طويل الأمد على مدى المفاصل الحركي ويجب الاهتمام به بحذر كحل لصعوبة التحميل المحوري.
مزاوجة الطرف الصناعي Prosthetic Coupling:
إن المزاوجة بين حاضن الطرف الصناعي والجذمور لا تكون قاسية بشكل كامل. يمكن أن تكون شبيهة بالمفصل بين قطعتين من الجسم.
نشاهد في الصورة التالية أن شعاع قوة رد فعل الأرض لا يؤثر بشكل مباشر على الطرف الصناعي وإنما يؤثر أكثر على الجانب الأنسي مما يسبب عزم دوران ويسبب ضغط على أماكن معينة على سطح الجلد. ممكن أن يتطور مع الوقت ويسبب ألماً وتظهر أيضاً علامات احمرار الجلد في مكان الضغط وفي هذه الحالة يكون الضغط أعلى الجذمور من الناحية الأنسية وأسفل الجذمور من الناحية الوحشية. يتم معاكسة عزم القوة هذا بالضغط على الأنسجة الرخوة، بكلمة أخرى تسبب القوى الدورانية للحاضن ضغطا على مناطق محدد من الجذمور يمكن التنبؤ بها.
يجب التعامل مع هذه الحالة من قبل فني أطراف يفهم أهمية ضبط التسامت alignment. لا يكون التحرك السريع لتعديل الحاضن لمعالجة أماكن الألم دائماً حلاً جيداً، وإنما إعادة ضبط التسامت يكون أسرع وأكثر قابلية للتراجع خاصة مع مكونات الأطراف الحديثة.
الخلاصة Summary:
إن القوى المطبقة على الجسم البشري عن طريق الطرف الصناعي سوف تسبب ضغطا، يتم تدبيره عبر زيادة سطح التلامس وتوزيع الضغط على مناطق قابلة للتحميل في الجذمور.
يمكن أن يؤثر التسامت في الطرف السفلي على ضغوط الحاضن بطريقة يمكن التنبؤ بها. التغير التالي للطرف الصناعي يمكن أن يغير الحالة الميكانيكية الحيوية عبر طرق مألوفة إما عن طريق تحديد المدى الحركي أو عبر تغيير موقع قوة ردة فعل الأرض.
إن فني الأطراف مكلف بهمة كبيرة في تدبير وإدارة تركيب الطرف والتعامل مع تأثيراته على الجسم البشري. كما أنه جزء ها م في الفريق المتعدد الاختصاصات ضمن مركز الأطراف الصناعية لنجاح العمل.
يضيف استخدام المعرفة بعلم الميكانيك الحيوي فائدة كبيرة لتحسين الحالة الميكانيكية الحيوية لدى مستخدم الطرف الصناعي
|
عمل الطالب: رضا العابد بإشراف الدكتور: فايز عرابي |
